基于小电容的动态无功补偿及其对分布式发电接入配电网的电压稳定控制研究

With the increasing penetration of distributed generation (DG) into the distributed network, it inevitably brings in voltage stability issues due to the randomness, intermittent and variation of the renewable energy resources. This project will focus on the power quality problems of the distributed network accessible to distributed generation; propose a new reactive power compensation method with small capacitor to meet the voltage stability requirement of distributed network. This project will: 1) analyze the output characteristics of different kinds of DGs with the grid voltage failure condition , clarify the voltage coupling influence of the DGs and the distributed network during transient operation, reveal the dynamic response requirement for the voltage control technology in the distributed network; 2) analyze the reactive power-voltage characteristics of the distributed network taking the output characteristics of DGs into account, propose an optimal design for reactive power control of distributed network with the principle of using renewable energy as possible; 3) propose a new reactive power compensation method with small capacitor, build electrical model and analyze the operation principle, make research on the improved pulse driving methods and control methods, clarify the performance of low harmonics, fast response, compact, reliable and etc., deduce proper parameter design method; make research on the voltage control strategy for the distributed network based on this proposed reactive power compensation method, especially during the load/DGs power variations, eventually build the grid voltage control theory based on this proposed new reactive power compensation method. The results will provide a new thought and a new way for solving the voltage stability issues of distributed network accessible to DGs.

基于可再生能源的分布式发电大量接入配电网，必然引起系统电压不稳定。本项目系统性研究分布式发电接入配电网的电能质量问题，拟提出一种基于小电容的新型动态无功补偿方法，来适应配电网的电压稳定控制需求。1）分析不同类型分布式发电在电网电压故障等条件下的暂态响应，探明分布式发电和配电网暂态运行的电压耦合作用，揭示配电网中电压控制手段的动态响应需求；2）计及分布式发电的出力独特性，分析配电网的无功电压特性，提出最大限度使用可再生能源的配电网无功优化策略；3）提出基于小电容的新型无功补偿方法，建模分析其工作原理，研究改进的脉冲驱动以及控制方法，阐明其输出谐波小、响应速度快、小型化、高可靠性等工作特性，提出合适的参数设计方法；研究其在负荷/分布式发电出力波动时对配电网的电压控制策略，建立基于该方法的配电网电压控制理论。研究成果将为解决大量分布式发电接入配电网的电压稳定性问题提供一条新思路和新途径。

大量分布式发电接入配电网，必然带来诸如谐波、电压不稳定等电能质量问题。本项目围绕分布式发电接入配电网的电能质量问题展开系统性地研究，旨在提出一种兼顾成本效益和性能优势的新型可控无功补偿技术，探索其在配电网中的电压控制方法，解决分布式发电接入配电网引起的电压稳定性问题。本项目首先分析了分布式光伏发电以及微燃机发电系统等不同类型的分布式发电系统的运行特性，重点研究了分布式发电的功率波动性和不可预测性给配电网各节点尤其是负载终端带来的电压波动性问题；在此基础上，本项目根据“电压-无功”的自动调节原则，提出基于并网逆变器无功输出和可控无功补偿相结合的电压协调控制策略。再次，本项目在分析归纳现有可控无功补偿技术的优缺点的基础上，提出了基于高频PWM驱动控制和直流侧电容最小化的STATCOM-MERS无功补偿新方法；建立数学模型，定量地分析了其“直流侧电容小”这一结构独特性所带来的直流侧电压周期性变化规律，提出了直流侧电压的波形直接控制策略；提出了基于不等幅PWM控制的驱动信号生成方法，实现了STATCOM-MERS对无功输出电流的连续可调控性。进一步地性能分析和参数优化后发现，在相同的电压电流条件下其所需电容值的大小可以降低到传统STATCOM的1/4左右，同时保持了和STATCOM相当的谐波输出特性和动态响应特性。最后，本项目搭建了分布式发电接入配电网电压稳定控制实验台，验证了基于STATCOM-MERS的配电网电压稳定控制策略。所提出的STATCOM-MERS兼具了所需电容小，结构紧凑的成本优势以及谐波含量低，动态响应快的性能优势，在配电网的电压稳定控制具有潜在的优势。